在大多數(shù)科研相機的材料中，經(jīng)常會標(biāo)注出兩個關(guān)鍵參數(shù)：制冷和暗電流。

圖1. 濱松高端sCMOS相機Flash 4.0 V3彩頁上的參數(shù)

針對這兩個參數(shù)大家自然而然就會聯(lián)想到如下問題：

1、什么是相機的暗電流（Dark Current）？其單位electrons/pixel/s如何理解？

2、暗電流是如何影響相機成像質(zhì)量的？如何在使用中進行校正？

3、相機的制冷原理是什么？風(fēng)冷（Air cooling）和水冷（Water cooling）各有什么優(yōu)劣？

4、如何利用制冷從根本上削弱暗電流對成像質(zhì)量的影響？

那我們今天就重點圍繞這四個問題，為大家奉上有關(guān)暗電流與制冷的干貨詳解。

暗電流

什么是暗電流？其單位electrons/pixel/s如何理解？

無論是CCD相機、sCMOS相機、qCMOS相機還是InGaAs相機，其基本原理是一致的：1、入射的光子在各個像素中轉(zhuǎn)化為電子；2、這些電子接著通過floating diffusion amplifier（FDA）轉(zhuǎn)化為電壓；3、電壓會被再次放大，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）變成數(shù)字信號。落到各個像素上的光子被如此轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并最終在電腦上排列顯示成圖像。

在這個過程中，像素材料本身的熱運動也有幾率產(chǎn)生電子，這些電子和上述第1步中光子轉(zhuǎn)化成的電子會同樣被相機讀出，而且無法區(qū)分彼此。單個像素（pixel）在單位時間（s）內(nèi)由于熱運動產(chǎn)生的電子（electron）就是暗電流，單位為electrons/pixel/second（有時簡寫為e/p/s）。

圖2. 相機的基本原理及暗電流的來源

2、暗電流是如何影響成像質(zhì)量的？如何在使用中進行校正？

暗電流對于成像質(zhì)量的影響，根據(jù)相機類型以及使用參數(shù)的不同，可能會體現(xiàn)于3個方面：1、暗電流所帶來的背景；2、hot pixel；3、暗電流的散粒噪聲。

需要注意的是，所有這三種影響的根源都是暗電流隨曝光時間而在像素中的電子積累；所以，曝光時間較短，或者通過給相機制冷削弱暗電流都能夠從根本上減輕或者解決問題。

暗電流所帶來的背景

同一相機芯片上，每個像素的暗電流并不相同——有的低，有的高，有少量還特別高（也稱為hot pixel）。當(dāng)曝光時間較長的時候，不同像素間暗電流的差異隨時間積累而放大（如圖3），就有可能淹沒真實的光信號造成圖像質(zhì)量下降（如圖3B，E）。

圖3. 暗電流不均一性對圖像質(zhì)量所造成的影響&背景扣除對此影響的校正效果。（A-C）為示意圖，代表5個像素；灰色為暗電流積累出的"信號"，藍色示入射光信號。（D-F）為一臺InGaAs相機（濱松C12741-03）的實際圖片，D為蓋上相機蓋子（即沒有任何光信號的情況）時曝光1s的圖片，示暗電流積累的效果。E為用這臺相機接上鏡頭拍攝弱光樣品的成像效果。F是在與E相同的情況下，采用背景扣除后所得到的成像效果。

為了消除這種背景的影響，可以采用背景扣除的方法。蓋上相機的蓋子，在全黑的情況下按照需要的曝光時間拍攝一張dark image（圖3D）；然后在軟件中設(shè)置，讓其在拍攝樣品的時候，自動減去背景輸出背景扣除后的圖片（如圖3F）。（點擊下圖鏈接了解詳細操作）

注意點1：

需要注意的是，在大多數(shù)使用環(huán)境中，圖3所示的案例其實相當(dāng)極端。主要是InGaAs紅外相機由于材料本身的原因，暗電流經(jīng)常高達105-106 electrons/pixel/second——故而暗電流的不均一性影響會非常明顯。

事實上，我們常用的可見光相機——無論是CCD、sCMOS還是qCMOS——都是基于硅（Si）材料的；商業(yè)化的這類高端科研相機暗電流基本都會在1.0 electrons/pixel/second甚至更低（參考圖1中Flash 4.0 V3 sCMOS相機的暗電流），所以以上效應(yīng)并不明顯（如圖4）。

圖4.硅材料芯片sCMOS相機（此例中為Flash 4.0 LT+）的暗電流很低（此例中為0.6 electrons/pixel/second），即使在長時間曝光（此例中為10s）下，暗電流隨造成的背景也不高，背景扣除所能帶來的圖像質(zhì)量提升不太明顯。

注意點2：

背景扣除的方法對于圖像質(zhì)量的提升多多少少都是有用的，對于暗電流極高的InGaAs紅外相機尤其如此（如圖3）。但是這種方法要求拍照時所用的曝光時間和拍攝"背景"（dark image）的時間保持一致。所以實際使用中，尤其是需要頻繁調(diào)整曝光時間的情況下，并不那么方便。

hot pixel

對于硅芯片相機，尤其是sCMOS相機，雖然其暗電流并不高，但是會有少量"hot pixel"——其暗電流明顯高于絕大多數(shù)像素（如圖5A）。

事實上，幾乎所有的相機都已經(jīng)默認加上了后續(xù)算法將這些hot pixel進行了處理。所以在默認設(shè)置下，用大家手上已有的相機拍出來的圖像肯定都是圖5B這個樣子。

但為了滿足部分客戶對于原始圖像的需求，濱松在Flash 4.0系列等高端sCMOS相機中專門加入了這種像素校正功能的開關(guān)（如圖5），可以讓用戶自行選擇校正與否；而在ORCA-Flash4.0V3、ORCA-Fusion系列和ORCA-Quest等高端相機中，還加入了包括關(guān)閉在內(nèi)的4檔校正，可以供用戶自行選擇合適的校正算法。（點擊下圖鏈接了解詳細操作）

圖5. 像素校正功能對于"hot pixel"的處理效果

暗電流的散粒噪聲

除了上述的背景問題以及"hot pixel"問題，暗電流本身還會帶來散粒噪聲。

如何理解這個"散粒噪聲"呢？比如某個像素的暗電流極高，達到了100 electrons/pixel/second，但實際的情況卻有可能是第一個一秒鐘，熱運動產(chǎn)生了97個電子；第二個一秒鐘產(chǎn)生了104個電子；第三個一秒鐘產(chǎn)生了101個電子；等等等等。這種不確定性就是散粒噪聲的來源。

上一節(jié)中提到通過背景扣除或者像素校正，能夠消除暗電流不均一性/"hot pixel"的影響，但是暗電流的散粒噪聲是沒法消除的（圖6）；而且暗電流越高，散粒噪聲越大——所以想辦法減小暗電流本身才是"王道"。

制冷

如何利用制冷從根本上削弱暗電流對相機成像質(zhì)量的影響？

由于暗電流來自熱運動，所以溫度越低，暗電流越小。為了降低暗電流，可以對相機芯片制冷。相機在工作的時候，芯片溫度一般會到60-70℃。所以即使僅是"-10℃"（制冷至室溫下10℃）或著"+10℃"（制冷至零上10℃），其實已經(jīng)可以大幅降低暗電流——大致的規(guī)律是每下降5~10℃，暗電流減小一半。

圖7. 冷卻對相機的影響。四張圖片來自于四臺相機，均采用10s的曝光時間，LUT設(shè)置成一樣。這四臺相機采用了同樣的芯片，但制冷溫度不同。從左至右依次為：(a) 沒有制冷（C11440-52U）；(b) 制冷溫度為10℃（C11440-42U）；(c) 制冷溫度為-10℃（C11440-22CU，風(fēng)冷模式）；(d) 制冷溫度為-20℃（C11440-22CU，水冷模式）

從圖7中可以看到，在sCMOS相機中，制冷溫度的具體高低影響不是那么明顯，但有沒有制冷對暗噪聲的表現(xiàn)影響很大（圖7A是沒有制冷的相機，圖7B,C,D都是有制冷的）。這是因為，電子元件在工作中會發(fā)熱，一旦沒有制冷，相機的芯片工作溫度遠高于室溫（比如60-70℃），在長時間曝光中（如圖7中的10s曝光時間），其暗電流自然就會高到不可忽視。

相機的制冷原理是什么？風(fēng)冷（Air cooling）和水冷（Water cooling）各有什么優(yōu)劣？

芯片的制冷一般通過帕爾貼（Peltier）半導(dǎo)體制冷器件實現(xiàn)。在通電的情況下，帕爾貼的冷端（靠著相機芯片）會持續(xù)吸熱并將熱量轉(zhuǎn)移到熱端，維持冷熱端的溫差。帕爾貼可以多級聯(lián)用，獲得更強勁的制冷效果。在一些相機資料說明中，會提到"一級制冷"、"二級制冷"甚至到"四級制冷"，指的就是用了多少級帕爾貼。

而為了讓帕爾貼能夠持續(xù)高效工作，需要將其熱端的熱量帶走——如果用散熱片+風(fēng)扇的組合，就稱之為風(fēng)冷（air cooling，如圖8左）；如果用循環(huán)水，就稱之為水冷（water cooling，如圖8右）。

風(fēng)冷是大多數(shù)相機的默認制冷方式，使用方便，但是可能會造成輕微的振動。水冷的制冷效率更高，也不會產(chǎn)生振動，但需要額外的冷卻液（如水）循環(huán)系統(tǒng)。

如圖7所示，在sCMOS相機中，只要有制冷，暗電流都不會高；所以風(fēng)冷水冷的選擇更多的是考慮風(fēng)扇所帶來的振動。在一些對振動極端敏感的實驗中，可以考慮水冷。

圖8. 相機風(fēng)冷（左）與水冷（右）的結(jié)構(gòu)示意圖。密封是為了在芯片被制冷后，防止空氣中的水汽冷凝在芯片表面影響成像。

當(dāng)前的許多高端科研相機，如濱松ORCA-Flash4.0V3、ORCA-Fusion系列和ORCA-Quest，都同時均有風(fēng)冷和水冷模式，可以讓客戶根據(jù)具體實驗要求隨意選擇。（點擊下圖鏈接了解詳細操作）

圖9. 濱松ORCA-Flash 4.0 V3外觀圖。示風(fēng)冷和水冷相關(guān)結(jié)構(gòu)的外觀。左圖中箭頭所指的橫著的多片金屬結(jié)構(gòu)就是散熱片。

審核編輯黃宇